1、 Android 手机中的智能传感器及其应用随着技术的进步，手机已经不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。手机的虚拟功能，比如交互、游戏、都是通过处理器强大的计算能力来实现的，但与现实结合的功能，则是通过传感器来实现。本文介绍了几种手机中常见的传感器的原理和用途。Android 智能手机自推出以来，其内置传感器逐渐增多，传感器所能实现的功能也日益多样化，极大的满足了用户对智能手机功能的需求，从依赖于重力传感器的各种游戏，到依靠距离传感器实现的通话灭屏，再到指南针功能下的电子罗盘等等，小小的一个 Android 智能手机以各种传感器为依托实现了许多有趣的功能。1.距离传感器
2、这个传感器在手机上的应用是当我们打电话时，手机屏幕会自动熄灭，同时触摸屏无效，能够防止误操作。当脸离开屏幕时屏幕灯会自动开启，并且自动解锁,因此距离传感器位于手机屏幕上方。这个对于待机手机较短的智能手机来说是相当实用的,现在很多智能手机都装备的这个传感器。距离传感器和光线传感器位置如图.1图 1.距离和光线传感器距离传感器原理：红外 LED 灯发射红外线，被近距离物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，并测量光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，测定距离，一般有效距离在 10cm 内。距离传感器同时拥有发射和接受装置，一般体积较大。2.光线传感器光线传感器，也就是感光器，是能够根据周围光亮
3、明暗程度来调节屏幕明暗的装置。光线传感器可以使用光敏三极管作为感光元件，接受外界光线时，会产生强弱不等的电流，从而感知环境光亮度。在光线强的地方手机屏幕会变暗，达到节电并更好观看屏幕的效果，在光线暗的地方自动将屏幕变亮。可以在工具设置中设置自动调节屏幕亮度。这个传感器也主要起到节省手机电力的作用，自动调节屏幕亮度也能起到保护眼睛的作用。光线传感器位置如图 1 光线传感器和距离传感器一般都是放在一起的，位于手机正面听筒周围，这样就存在一个问题，手机的额头上开了太多洞或黑色长条不太好看，所以一些厂商为了减少开孔、或者隐藏开孔，将两个传感器集成到一个窗口下，或者使用黑色面板，黑色面板的手机可以轻易隐
4、藏这两个传感器。3.方向传感器方向传感器就是陀螺仪，陀螺仪的测量物理量是偏转，倾斜时的转动角度。陀螺仪传感器最早应用于航空、航天和航海等领域。随着陀螺仪传感器成本的下降，现在很多智能手机都集成有陀螺。陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成，一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪就具有了抗拒方向改变的能力。在手机上，仅用液体测平和加速度计没办法测量或重构出完整的 3D 动作，因此现在的手机大多采用三轴陀螺仪作为方位测量传感器。三轴陀螺仪可以替代三个单轴陀螺仪，可同时测定 6 个方向的位置、移动轨迹及加速度。陀螺仪则可以对
5、转动，偏转的动作做很好的测量，这样就可以精确分析判断出使用者的实际动作。而后根据动作，可以对手机做相应的操作！三轴陀螺仪的原理如图 2。图 2.陀螺仪目前手机中采用的三轴陀螺仪用途主要体现在游戏的操控上，有了三轴陀螺仪，我们在玩现代战争等射击游戏时，可以完全摒弃以前通过方向按键来控制游戏的操控方式，我们只需要通过转到手机，既可以达到改变方向的目的，使游戏体验更加真实、操作更加灵活。4.重力传感器与加速度传感器重力传感器是根据压电效应的原理来工作的，所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作
6、用使介质发生极化的现象称为正压电效应” 。手机重力感应技术是利用压电效应实现的，简单来说是测量内部一片重物(重物和压电片做成一体)重力正交两个方向的分力大小，来判定水平方向。通过对力敏感的传感器，感受手机在变换姿势时，重心的变化，使手机光标变化位置从而实现选择的功能。如图 3 所示。图 3.重力传感器重力感应器是由苹果公司率先开发的一种设备，现在基本所有的智能手机都带有这个传感器了。重力传感器可以实现自动转动屏幕，在查看图片和拍照时有很好的用户体验。与重力传感器相同，加速度传感器也是压电效应，原理也相似，有的厂商就将两个传感器集成为一个。加速度传感器通过三个维度确定加速度方向，功耗小，但精度低
7、。加速度传感器用于测量手机在 3D 角度上的加速度，可用于计步和防摔保护。人在走路时身体会上下运动，这就有了一个加速度。手机中的加速度传感器能够检测这一动作。传感器输出的电信号经过处理后确定人走的步数，从而确定运动量。防摔保护也是利用加速度传感器设计的。利用加速度传感器检测自由落体状态，从而对迷你硬盘实施必要的保护。大家知道，硬盘在读取数据时，磁头与碟片之间的间距很小，因此，外界的轻微振动就会对硬盘产生很坏的后果，使数据丢失。而利用加速度传感器可以检测自由落体状态。当检测到自由落体状态时，让磁头复位，以减少硬盘的受损程度。5.磁场传感器磁力传感器简称为 M-sensor，返回 x、y、z 三轴
8、的环境磁场数据。地球的磁场像一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。通过测量三个方向上磁场的强度确定方向。磁力传感器的主要应用时指南针，要实现电子指南针功能，需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器。随着微机械工艺的成熟，意法半导体推出将三轴磁力计和三轴加速计集成在一个封装里的二合一传感器模块 LSM303DLH，这是一款成本低、性能高的电子指南针模块。6摄像头摄像头是一种光电转换装置，拍摄景物时通过镜头，将生成的光学图像投射到感光元件上，然后光学图像被转换成电信号，电信号再经过模数转换
9、变为数字信号，数字信号经过 DSP 加工处理，再被送到手机处理器中进行处理，最终转换成手机屏幕上能够看到的图像。摄像图的成像原理与凸透镜的成像原理相似，当物体在 2 倍焦距外时可在 12 倍焦距之间成倒立缩小的实像，所以感光板位于镜头的一倍到两倍焦距之间。光路原理图如图 4。图 4.摄像头光路图摄像头除了拍照片和视频外还可以结合图像处理技术实现更复杂的功能。例如可以使用闪光灯拍摄手指的透光照片，可以用于测量心率。原理是：人的血液中的血氧含量在每次心跳前后是不同的，血氧含量高时血液为鲜红色，氧气被消耗后为暗红色。手机的强光灯照到手指上，摄像头拍到手指颜色周期性的变化，对拍摄到的图像进行处理，从而
10、算出心率。一款手机测心率软件截图如下。图 5.测量心率7.触摸屏-矩阵式传感器现在所有的智能手机都配备了触摸屏，主流触摸屏是电阻式触摸屏和电容式触摸屏。电阻屏是感知手指的压力，电容屏是感应手指与屏幕之间的耦合电容。由于电容屏的灵敏度高，智能手机越来越趋向于使用电容屏。电容屏-顾名思义就是利用电容效应识别触摸位置的设备。电容屏的玻璃下有紧密排布的微小电容，当手指靠近屏幕时会与屏幕下的极板形成耦合电容，使流过 CP的电流变化，控制芯片读取电流的变化就能推算出触电的位置。图 6.电容触摸屏一块屏幕有许多微小的电容组成，一个小的电容都可以看作一个电容传感器，因此一块屏幕就是一个电容传感器矩阵，利用这个
11、传感器矩阵可以定义和识别在屏幕上的各种操作，例如两指单击、双指下滑、三指缩放等，这些操作都可以被识别，并根据动作完成对应操作。图 7.一款定义手势的软件8.摄像头测心率的实现原理 摄像头测心率最原始的原理是“光电容积脉搏波描记法” 。光电容积脉搏波描记法是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化。当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，检测到的光强度最大使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。将此光强度变化信号转换成电信号，便可获得容积脉搏血流的变化。通过手机摄像头检测到的图像明暗变化是可见光在
12、手指上透过光线多少的反映。拍摄到的画面如何识别出收缩和舒张是软件设计的关键。摄像头拍到的画面如下图。图 8.单帧彩色图由于本例中只有两类图片，图像的主色为红色，可采用红色得 RGB 值作为灰度来区分这两种图片，将此图片转化为灰度图后如下。使用 java 计算图片灰度值的代码如下。public void grayImage() throws IOExceptionFile file = new File(System.getProperty(“user.dir“)+“/test.jpg“);BufferedImage image = ImageIO.read(file);int width =
13、image.getWidth(); int height = image.getHeight(); BufferedImage grayImage = new BufferedImage(width,height,BufferedImage.TYPE_BYTE_GRAY); for(int i= 0 ; i width ; i+) for(int j = 0 ; j height; j+) int rgb = image.getRGB(i, j); grayImage.setRGB(i, j, rgb); File newFile = new File(System.getProperty(“
14、user.dir“)+“/method1.jpg“); ImageIO.write(grayImage, “jpg“, newFile); 图 9.单帧灰度图图 9.灰度图直方图将灰度直方图的所有灰度的值相加记为画面全部灰度值之和，由画面全部灰度值之和作为因变量，时间作为自变量绘制的脉率图像。取第一幅图作为灰度坐标零点，绘制的图像如下。图 10.灰度随时间变化图上图表明手机拍到的手指画面会随着时间变化灰度和呈周期变化，找出此波在 1 分钟内变化的次数就能大致算出心率。9.展望手机中的智能传感器越来越趋向于微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化发展，未来的仿生传感器也开始在手机中集成，如人脸识别和指纹识别，相信在不远的将来智能手机中的传感器将为我们的智能生活提供更加便利的服务。
